自动化控制对海绵钛生产的重要性

2020-12-09陶冶

中国金属通报 2020年9期

关键词：电耗真空度排风

陶冶

（中航天赫（唐山）钛业有限公司，河北唐山 063000）

海绵钛的生产，是采用金属镁与四氯化钛在氩气保护下进行还原反应，生成海绵钛和氯化镁：TiC14+2Mg=Ti+2MgCl2。之后利用高温真空蒸馏法，去除海绵钛中低沸点金属残留物得到相对纯净的海绵钛。

而这一工艺过程的自动控制系统却涉及到了多个方面，其直接影响着海绵钛生产中的质量和电耗。国内多半海绵钛生产厂，只是单纯在生产中控制反应温度和加料速度，没有完备的自动化控制系统。因此，讨论下自动化控制在海绵钛生产的中重要性。

1 生产中自动脱气控制

还原脱气是海绵钛生产的前期工序，是对原料金属镁和蒸馏镁在真空低温环境下进行抽真空干燥，防止高温环境下氧化，从而降低海绵钛氧含量的主要因素，控制好这一环节等于守住了降低海绵钛中氧含量的第一关。还原低温真空脱气，要求控制温度400-500度，反应器内的真空度不能高于0.04MPa，防止反应器内的潮气不要产生的过多过快，降低反应器内氧化镁的产生。要严格控制好反应器内真空度和温度之间关系，当反应器内真空度高于0.04MPa时，即便反应炉内温度低于设定下限温度也不能送电升温。这是编程时必须注意的逻辑关系。国内多数海绵钛生产厂家，在这个环节上主要依靠人来监控，无法达到高真空低温脱气的效果，不能完全避免氧进入海绵钛的要求。

2 生产自动压力控制

脱气结束以后，还原进行的每一步都需要把反应器内压力恒定在一个合理的正压范围内，一般要求为4.9-24.5 kPa，这是稳定反应速率和控制海绵钛氧氮含量的重要工艺指标。还原反应过程的四氯化钛是气态的，生成的产品是固态和液态的，因此反应器内的压力是不断变化的。还原反应压力过高，影响反应速度。压力过低，空气会进入反应器内，导致海绵钛氧化和氮化，影响产品质量。要始终保持反应器内压力恒定合理正压范围内，依靠人来监控很难实现，同时也无法实现压力高需停止加料的逻辑关系。国内多数海绵钛生产厂家没有这个环节控制，反应器内压力波动范围大，生产过程中时时存在外部氧氮气体进入反应器内，给污染海绵钛制造了机会。

3 自动温度控制

自动温度控制是海绵钛生产不可缺少的控制项目，是保证把生产工艺要求的温度控制在合理范围内的重要手段。然而国内多数海绵钛生产厂家的控制，只有简单的停送电控制，没考虑到当某一控制点送电升温时会影响与之临近控制点温度的变化，没考虑到温度过高时是否停止加料。控制温度超温会给海绵钛生产带来严重的负面影响，会使铁氯含量偏高，会使海绵钛烧结，会影响蒸馏过程的顺利进行。一般要求反应点的温度不能超过860度，其它控制点的温度不能超过880度，无论哪个控制点只要有一个超温就要停止加料。这是编程时必须考虑的逻辑关系，同时温度控制过程中常常发生的如下现象：即当控制点4点因温度低于设定下限需要送电升温时，其上部控制点3点的温度会因4点的送电而升高，超过设定的上限，编程时也要考虑在内。完整的自动温度控制需要考虑多方面的影响因素，这样才能确保不超温，降低人为因素的影响，提高产品质量。

4 加料自动化控制

海绵钛生产中镁还原反应属自热反应，其不仅可以靠自热维持反应，还会释放出多余热量。加料速度快慢影响着反应温度高低，同时影响海绵体质量优劣。所以加料自动化控制，是海绵钛生产重要的控制项目，是还原反应过程中温度及反应液面能否在合适范围内波动的关键。反应液面在合理范围内波动可减少上爬量、降低生产电耗、降低产品铁含量，同时还可抑制生成过多的低价钛。要把反应液面控制在合理的波动范围内，计量加料流量计的准确度必须高才行，国内的海绵钛生产厂家大多采用的是转子流量计和质量流量计。要使流量计准确，需计量物质有一个稳定的流量，流量波动越大，计量越不准确。而还原反应生产中用到流量为每分钟2.67-5公斤，流量波动范围很大，因而这些计量装置反映的数据误差很大。为解决该问题可以采用自控定量累计加料泵，该泵不受流量波动影响，计量精确度高。生产中，一个加装了自控充氩气装置的四氯化钛储罐可以同时为多炉自控模式加料，整个加料生产过程都处于正压保护，有利于生产优质海绵钛。

5 自动鼓排风控制

为了把还原反应过程产生的多余热量散发出去，确保反应点的温度不超温，国内多数海绵钛生产厂家采取的措施是自然通风降温，也有人工操作风机降温的，降温效果差、速度慢。而自动鼓排风控制是一种强制降温方式，可根据工艺要求的温度随时启动风机降温，降温速度快、效果好，能确保反应点的温度在合理的温度范围内变化。这只是自动鼓排风控制给海绵钛生产带来的好处之一。而其最大的优点是提高了还原反应加料速度，减少还原生产时间，降低电耗，有利于改善了海绵钛反应生成结构。以国内某海绵钛厂5吨炉为例来说，完善了自动鼓排风控制后，加料速度由原来最大每分钟3.67公斤提高到了5公斤，还原时间减少了1天，每生产1吨海绵钛节约电耗200KWH以上，每炉每年可多产海绵钛5吨。

6 蒸馏控制

蒸馏控制主要监控的工艺参数有炉温、水温、反应器内真空度、炉内真空度、真空泵运行状况信号及真空阀门开启状况信号，如能将这些参数在编程时实现合理的联锁控制，可减少蒸馏过程进气和蒸馏通道堵塞的危险，提高蒸馏效率。真空度与炉温联锁可缩短蒸馏时间，降低生产电耗，它们之间的联锁关系是当真空度的测量值高于设定值时，用停电控制过多的蒸发量；当真空度的测量值低于设定值时，提高炉温设定下限，送电增大蒸发量，以确保冷凝器内的蒸发物，不会因过多而冷凝不了堵塞通道，也不会因为过少降低蒸馏效率。这是国内多数海绵钛生产厂家蒸馏控制需要完善的部分，另外真空度、真空泵运行信号与真空阀门开启之间的联锁也需要完善，它是避免因真空泵故障而使反应器内进气的一个保障。以国内某海绵钛厂5吨炉为例来说，完善了蒸馏控制程序后，提高了蒸馏效率，蒸馏时间减少了5个小时。

7 全自动控制

全自动控制是由程序完成的。这就要求编程时必须把还原生产的入炉控温脱气、恒温加镁、四氯化钛的加料速度和氯化镁排放等过程，匹配相应生产工艺参数。实现生产中自动低温脱气控制、反应炉内压力自充氩气保护及反应压力过高泄压控制、自动横温控制、加料自动化控制、鼓排风自动控制等相结合，实现整个还原蒸馏生产的自动化控制。生产入炉后，只需一个启动按钮，根据控制界面提示内容，通知现场操作人员完成相应工艺操作即可，操作员无需经常输入工艺参数，减少输入错误带来的生产事故。蒸馏控制同还原控制一样，编程时把每一步的参数和控制结合起来，实现智能控制。自动控制的完整化和程序的智能化，操作站成了指挥生产的控制中心，减轻操作员的工作量，降低了操作员的一些误操作。另外，生产中可以避免生产工艺参数被修改，监督操作人员按工艺制度生产；减轻车间内人工巡视工作量，是生产出高等级海绵钛的保障。